汽车发动机离心式水泵叶轮的设计研究

汽车发动机作为汽车的核心部件，燃料在燃烧过程中会产生大量的热能，发动机气缸内的温度急剧升高，为使得发动机在所有工况下都能在适当的温度下工作，同时满足发动机燃油经济性和节能减排的目的，这就对发动机冷却系统的功能性能提出了很高的要求。水泵作为发动机冷却系统的核心部件，水泵的性能对发动机能否高效的工作起到了至关重要的作用，而叶轮是水泵能量转化的关键部件，旋转叶轮吸入口压力低，迫使液体进入叶轮，然后叶轮对液体做功，进行能量转换，使液体获得压力能和动能。叶轮设计的目的是最大限度减少液体流动损失，让液体获得较多的能量，这些带有能量的液体进入到发动机机体内，对发动机的缸体、缸盖、气门等进行冷却，保证发动机正常工作。

前期水泵叶轮的设计主要依赖设计经验和相似泵原理进行设计，这对设计人员的设计经验要求极高且设计成功率较低、设计成本高；本研究以国内某知名汽车厂家的一款发动机所需水泵的性能要求为设计依据，提出了将《试验设计与数据处理》中的单因素试验方法及正交试验方法结合CFD仿真分析，确定叶轮的最佳参数组合，然后再根据最佳的叶轮参数制造叶轮及水泵总成进行试验验证，为水泵叶轮的设计提供了科学的依据。

1 叶轮直径单因素CFD仿真分析

叶轮单因素CFD仿真分析的主要目的是研究叶轮直径对水泵性能的影响规律，确定叶轮直径，为后续仿真分析提供数据支撑。根据汽车厂家的要求水泵转速n=7980rpm、流量Q=135L/min、扬程H≥11.55m，通过理论计算确定叶轮的基本尺寸，即：叶轮外径D=47mm、出口宽度b

=9mm。可初步确定单因素仿真分析的叶轮直径为45mm、46mm、47mm、48mm、49mm，其他参数根据相似泵选定。因此，本试验是在水泵转速n=7980rpm、流量Q=135L/min、叶片数为7、压装高度(叶轮上盖板距进水口的距离)为1mm、出口宽度为9mm的条件下，以扬程、效率和轴功率为CFD仿真分析指标，对叶轮直径进行的单因素CFD仿真分析，CFD仿真分析方案及CFD仿真分析结果见表1。

从CFD仿真分析结果可知，在CFD仿真分析所用的叶轮参数范围内，随着叶轮直径的增大，水泵扬程不断增加、轴功率不断提高、水泵效率先增加后降低。为综合考虑叶轮直径对水泵性能的影响，对试验结果进行加权分析，将本次CFD仿真分析指标(水泵扬程、水泵轴功率和水泵效率)的加权系数分别设定为0.5、-0.2、0.7，加权后的参数及分析结果见表2。

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由表5所示的极差分析数据可知，叶轮叶片数A、叶轮安装高度B、叶轮出口宽度C对水泵扬程、水泵效率和水泵轴功率影响的主次顺序不同，得到的三组较优参数组合均不一致，因此需要采用加权综合评分法确定水泵综合指标对CFD仿真数据进行相应的极差处理，进而确定叶轮叶片数A、叶轮安装高度B及叶轮出口宽度C的较优参数组合。扬程是衡量水泵性能的最重要的指标，水泵扬程过低会造成发动机过热、导致发动机无法正常工作，水泵扬程过高会造成发动机过冷、导致发动机油耗过高；水泵的效率和水泵轴功率的高低会直接影响发动机的油耗。综合考虑，将水泵扬程、水泵轴功率和水泵效率的加权系数分别设定为0.6、-0.2、0.6。对CFD正交仿真分析所得的数据进行相应的计算和加权评分处理，然后按照单项仿真指标的方法进行极差分析，极差分析结果如表6所示。

拟合所得多项式回归方程的相关系数RR=0.9864，说明上述所得的拟合方程的精度可以满足CFD仿真分析要求，并能较真实的表达叶轮直径对水泵综合性能的影响规律。利用数据处理软件，绘制CFD仿真所得数据点和仿真范围内回归方程的多项式拟合曲线，如图1所示。从多项式拟合曲线可知，在CFD仿真分析所用的叶轮参数范围内，随着叶轮直径的增加，水泵综合指标先升高后降低，并且在叶轮直径为47.25mm时，水泵的综合指标最优。因此，可将叶轮直径定为47.25mm进行后续的CFD仿真分析及试验验证。

使用数据处理软件对加权后所得的数据进行多项式拟合，建立综合指标ψ与叶轮直径D之间的多项式回归方程：

2 CFD正交仿真分析

本次CFD仿真分析是在水泵转速n=7980rpm、流量Q=135L/min、叶轮直径为47.25mm的条件下，以水泵扬程、水泵效率和水泵轴功率为CFD仿真分析指标，对叶轮叶片数、叶轮出口宽度和叶轮安装高度进行正交试验的CFD仿真分析，仿真分析的各因素水平编码表如表4所示，选用L9(34)正交表，并且将叶轮叶片数A、叶轮安装高度B、叶轮出口宽度C分别安排在正交表的第1、2、4列，第3列选为空白列，CFD正交仿真分析的方案及仿真分析结果如表4所示。

2.1 CFD正交仿真分析的设计

为了研究叶轮叶片数A、叶轮安装高度B、叶轮出口宽度C对水泵性能的影响主次顺序，并得到三个因素的较优参数组合，对表4所示的正交仿真分析结果进行极差分析，极差分析结果如表5所示。

本仿真分析是基于正交试验的设计思路，以叶轮直径单因素CFD仿真试验确定的叶轮直径为基础，验证叶轮叶片数、叶轮出口宽度及叶轮安装高度三因素对水泵各性能指标影响程度的主次顺序和影响的显著性，并且得到叶轮叶片数、叶轮出口宽度及叶轮安装高度的较优参数组合，为水泵叶轮的设计提供科学的依据。

2.2 CFD正交仿真分析数据处理

本次CFD正交仿真分析以水泵扬程H、水泵轴功率P和水泵效率η为衡量水泵性能的指标，选取对水泵性能影响较大的叶轮叶片数A、叶轮安装高度B及叶轮出口宽度C作为CFD仿真分析的因素进行三因素三水平的CFD正交仿真分析，根据单因素CFD仿真分析的结果将叶轮直径定为47.25mm。CFD正交仿真分析因素水平编码表如表3所示。

栀子苷对照品（批号：110749-201410，纯度：≥100%）、芍药苷对照品（批号：110736-201438，纯度：≥96.4%）、丹皮酚对照品（批号：110708-201407，纯度：≥99.9%）均购自中国食品药品检定研究院；甲醇、乙腈均为色谱纯，其余试剂均为分析纯，水为一级纯化水。

ψ=2.785D

-407.14D

+19823D-321370

由正交仿真分析加权综合评分值的极差分析结果可知，叶轮的较优参数组合为叶轮叶片数为9、叶轮安装高度为0.8mm、叶轮出口宽度为10.5mm。可通过制作手工叶轮及水泵进行台架试验进行试验验证。

所以如今工作都两年了，她不仅没有存款，还为了买鞋刷了很多信用卡。每个月都得紧巴巴地过，甚至欠了简东亮半年的房租了。

3 验证试验

由CFD正交仿真分析可以得到叶轮的较优参数，但是考虑到CFD仿真分析结果与实际试验结果的差异性，为了使设计的叶轮性能更加可靠可信，需要在CFD正交仿真分析得到的叶轮较优参数下制作相应的叶轮及水泵进行性能试验验证。试验验证结果：水泵转速n=7980rpm、流量Q=135L/min、水泵扬程139.5kPa、效率41.29%。该试验结果在预期范围内，且满足客户对水泵性能的需求。

4 试验结论

利用CFD仿真分析的方法、结合《试验设计与数据处理》中的单因素试验方法及正交试验方法的思路，根据客户给的发动机正常工作的性能参数进行叶轮设计，从极差分析中得到叶轮的最佳参数，制作相应的叶轮及水泵进行性能试验进行试验验证，确认仿真分析的数据可靠且满足客户的需求。该设计方法成本低、效率高，为汽车发动机离心泵叶轮的设计提供了科学的依据。

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